Les systèmes à débit de réfrigérant variable (VRF) font varier le débit de réfrigérant vers les unités intérieures en fonction de la demande. Cette capacité à contrôler la quantité de réfrigérant fournie aux ventilo-convecteurs situés dans un bâtiment rend la technologie VRF idéale pour les applications avec des charges variables ou lorsqu'un zonage est requis.
Les systèmes VRF sont disponibles sous forme de systèmes de pompe à chaleur ou de systèmes de récupération de chaleur pour les applications nécessitant un chauffage et un refroidissement simultanés. En plus d'offrir un confort supérieur, les systèmes VRF offrent une flexibilité de conception, des économies d'énergie et une installation rentable.
TECHNOLOGIE VRF
Dans un système VRF, plusieurs ventilo-convecteurs intérieurs peuvent être connectés à une unité extérieure. L'unité extérieure comporte un ou plusieurs compresseurs entraînés par un onduleur, de sorte que leur vitesse peut être modifiée en modifiant la fréquence de l'alimentation électrique du compresseur. Lorsque la vitesse du compresseur change, la quantité de réfrigérant fournie par le compresseur change également.
Chaque ventilo-convecteur intérieur possède son propre dispositif de mesure qui est contrôlé par l'unité intérieure elle-même ou par l'unité extérieure. Lorsque chaque unité intérieure envoie une demande à l'unité extérieure, l'unité extérieure fournit la quantité de réfrigérant nécessaire pour répondre aux besoins individuels de chaque unité intérieure (Fig. ci-dessus).
Ces caractéristiques rendent le système VRF parfaitement adapté à toutes les applications qui ont des exigences de charge partielle basées sur l'utilisation ou l'orientation du bâtiment, ainsi qu'aux applications qui nécessitent un zonage.
AVANTAGES D'UN SYSTÈME VRF
Contrôle signifie confort
La clé du confort consiste à fournir du chauffage ou de la climatisation quand et où cela est nécessaire sans variations de la température ambiante.
Dans les systèmes conventionnels, le compresseur est allumé ou éteint, de sorte que même les espaces dotés de commandes individuelles subissent des fluctuations de la température ambiante lorsque le compresseur s'arrête puis redémarre pour maintenir le réglage du thermostat (Fig. ci-dessous).
Dans un système VRF, étant donné que la vitesse du compresseur peut varier, le compresseur ne s'allume pas et ne s'éteint pas, mais fonctionne en continu pendant de plus longues périodes (Fig. ci-dessous). Le débit de réfrigérant requis est fourni au ventilo-convecteur intérieur et une fois le point de consigne atteint, le débit de réfrigérant est ajusté pour maintenir la température ambiante en douceur sans fluctuation.
En plus d'avoir des points de consigne distincts, les vitesses du ventilateur de l'unité intérieure et les positions des volets peuvent être modifiées pour offrir un confort supplémentaire dans l'espace.
Flexibilité de conception
L'un des principaux avantages d'un système VRF est la flexibilité offerte par la diversité de l'offre de produits. Plusieurs types et tailles de ventilo-convecteurs sont disponibles pour s'adapter à toutes les applications.
La figure ci-dessous montre un exemple de disposition de zonage pour un système VRF, combinant des unités extérieures, des ventilo-convecteurs de type cassette à 4 voies et des ventilo-convecteurs de type mur haut pour créer des conditions confortables pour différentes utilisations de 15 espaces différents dans le même bâtiment.
Lors de la sélection d'un système VRF, gardez à l'esprit que tous les systèmes n'ont pas les mêmes capacités de tuyauterie. Les systèmes qui offrent des capacités de tuyauterie étendues maximiseront la flexibilité d'application fournie par la technologie VRF. Les considérations importantes lors de l'examen des capacités de tuyauterie sont :
- 1) la différence d'élévation maximale autorisée entre les unités intérieures les plus hautes et les plus basses sur un seul système et
- 2) la distance autorisée entre l'unité extérieure et le ventilo-convecteur le plus éloigné du système
Installation rentable
Selon l'application, l'installation d'un système VRF peut être une alternative rentable aux systèmes traditionnels qui nécessitent des conduits ou des tuyaux de grande taille, ainsi que des pompes et des chaudières dans le cas de systèmes à eau glacée.
Les unités extérieures sont légères et ont un faible encombrement. Cela signifie qu'ils s'adapteront à un ascenseur de service, donc aucune grue n'est nécessaire pour le levage vers une installation sur le toit. Dans certains cas, des économies sur le coût total de construction peuvent être réalisées puisque l'unité légère signifie qu'une structure de support supplémentaire dans le toit n'est pas nécessaire.
Économies d'énergie
Tous les systèmes VRF permettent des économies d'énergie en faisant varier la vitesse du compresseur et en adaptant le plus possible la sortie du système à la charge. De plus, les systèmes VRF ne subissent pas les mêmes pertes d'énergie que les systèmes qui déplacent l'air conditionné à travers les conduits.
Cependant, les différences de conception des unités extérieures disponibles influenceront le niveau d'efficacité atteint.
COMPARAISON DES SYSTÈMES VRF
Les systèmes VRF disponibles sur le marché aujourd'hui diffèrent selon le nombre et le type de compresseur.
Les 3 types d'unités qui seront comparées ici sont :
- Compresseur à vitesse variable unique
- Compresseur à vitesse variable et compresseur à vitesse fixe
- Plusieurs compresseurs à vitesse variable
Compresseur à vitesse variable unique
Dans ce système avec un seul compresseur scroll de grande capacité, le même compresseur démarre et fonctionne lorsqu'il y a une demande et aucune redondance n'est disponible si le compresseur tombe en panne.
Compresseur à vitesse variable et compresseur à vitesse fixe
Dans ce système à deux compresseurs, le compresseur commandé par l'onduleur démarre et s'accélère jusqu'à ce qu'il atteigne sa capacité maximale, moment auquel le compresseur à vitesse fixe démarre et le compresseur commandé par l'onduleur décélère. Ce système offre une capacité de secours.
Plusieurs compresseurs à vitesse variable
Les unités extérieures avec plusieurs compresseurs rotatifs à double spirale entraînés par onduleur, comme illustré à la Fig. ci-dessous, offrent l'ensemble d'avantages le plus complet pouvant être obtenu avec un système VRF.
Le système avec 3 compresseurs à onduleur offre également une plus grande capacité de secours. Si l'un des compresseurs tombe en panne, le système continuera de fonctionner à 67 % de sa capacité d'origine et le confort sera maintenu dans l'espace climatisé jusqu'à ce que le compresseur défectueux puisse être remplacé.
La séquence de démarrage des compresseurs est mise en rotation, égalisant leur temps de fonctionnement et minimisant ainsi le fonctionnement excessif d'un compresseur individuel.
Plusieurs compresseurs entraînés par onduleur permettent à l'unité de fournir de meilleures performances à charge partielle sans avoir besoin d'utiliser une dérivation de gaz chaud. Dans des conditions de faible charge, le système a l'avantage de ne faire fonctionner que le nombre de compresseurs à la vitesse requise pour atteindre la capacité nécessaire pour satisfaire la charge et maintenir le confort dans l'espace climatisé.
La figure ci-dessous compare l'état de fonctionnement des unités extérieures lorsque des changements se produisent dans les charges de climatisation. Avec plusieurs compresseurs à onduleur, une meilleure adéquation peut être établie entre la charge dans l'espace et la sortie du compresseur ; le système ne gaspille pas d'énergie en générant une capacité supplémentaire et en même temps offre un plus grand confort en éliminant les fluctuations de température ambiante.
Compresseur rotatif double vs compresseur Scroll
Comme indiqué ci-dessus, les deux types de compresseurs utilisés dans les unités extérieures VRF (Fig. ci-dessous) offrent différents niveaux d'efficacité.
La figure ci-dessous compare l'efficacité d'un compresseur rotatif double à l'efficacité d'un compresseur scroll. La ligne pointillée représente le compresseur scroll, qui a un mauvais rendement à basse et haute vitesse. En revanche, la ligne pleine représente le compresseur rotatif double, qui a une excellente efficacité à toutes les vitesses.
Les caractéristiques de conception d'un compresseur rotatif typique créent un avantage par rapport au compresseur à spirale typique en nécessitant moins d'huile à pomper du compresseur vers le système de réfrigérant. La réduction de la quantité d'huile circulant dans le système de réfrigérant contribue à l'efficacité du système de compresseur rotatif double. La plus grande partie de l'huile mise en circulation par le compresseur rotatif peut être davantage isolée de l'unité extérieure du système.
Cela signifie qu'une fois qu'une zone a été satisfaite, le dispositif de mesure peut être complètement fermé et non laissé partiellement ouvert pour faciliter le retour d'huile, comme l'exigent les systèmes de compresseurs scroll. La fermeture du doseur empêche le réfrigérant de circuler dans l'unité et évite le refroidissement excessif ou la surchauffe de l'espace. Le résultat est un plus grand confort ainsi qu'une plus grande efficacité.
CONSIDÉRATIONS SUR LA CONCEPTION
Aménagement de l'espace
La conception d'un système VRF commence par la compréhension de l'aménagement de l'espace. L'orientation du bâtiment et les saisons pendant lesquelles les charges de pointe se produisent doivent être prises en compte. Le type de charge (chauffage ou refroidissement) et la répartition des charges dans les zones dépendront de l'utilisation prévue de l'espace. À leur tour, ces facteurs détermineront si un système de pompe à chaleur ou un système de récupération de chaleur sera le choix le plus efficace.
La figure ci-dessous montre une disposition d'espace typique, avec des zones spécifiées comme nécessitant un chauffage ou un refroidissement et la charge reflétée dans la taille et le type des unités intérieures illustrées.
Type de système – Récupération de chaleur ou pompe à chaleur ?
Les systèmes de pompe à chaleur et de récupération de chaleur assurent à la fois le chauffage et le refroidissement. Un système de pompe à chaleur assure le chauffage ou le refroidissement selon les besoins.
Un système de récupération de chaleur est idéal lorsqu'un chauffage et un refroidissement simultanés sont nécessaires. La plus grande efficacité sera réalisée lorsque les charges de chauffage et de refroidissement sont égales, en maximisant la quantité d'énergie qui peut être transférée d'une zone à une autre à l'aide du réfrigérant, comme illustré à la Fig. ci-dessous.
La figure ci-dessous montre une configuration de bâtiment avec 6 zones. Une façon de répondre aux exigences de conception de ce bâtiment serait d'installer 3 systèmes de pompe à chaleur comme indiqué ci-dessous :
Système 1 – Zones A, C et D, qui ont des profils similaires pour les besoins de chauffage et de refroidissement
Système 2 – Les zones E et F, qui ont des profils similaires pour les besoins de chauffage et de refroidissement
Système 3 – Zone B, qui ne nécessite que du refroidissement
Alternativement, un plus grand système de récupération de chaleur pourrait être installé.
Pour déterminer le meilleur choix de conception, une analyse de l'efficacité et une comparaison des coûts des deux options doivent être effectuées. De plus, la conséquence d'une plus grande quantité de réfrigérant circulant dans le plus grand système doit être prise en compte, car la quantité de réfrigérant dans le système a des implications lorsqu'il s'agit de répondre aux exigences de l'ASHRAE 15.
Taille des unités
La taille des unités sélectionnées doit être considérée pour son impact sur la conception du système ; des unités plus petites offriront une flexibilité de zonage et nécessiteront moins de tuyauterie et moins de réfrigérant par système.
Configuration de la tuyauterie
La flexibilité des options de tuyauterie disponibles doit être prise en compte. Un système qui offre plus d'options pour combiner des joints et des collecteurs en forme de Y pourrait minimiser la quantité de tuyauterie et de réfrigérant utilisée, réduisant ainsi le coût total du travail.
CONCLUSION
Un système VRF offre une installation flexible et un confort de refroidissement et de chauffage économe en énergie et doit être considéré comme une alternative aux systèmes traditionnels pour les applications où un zonage ou un fonctionnement à charge partielle est requis.
Carrier Corporation Syracuse, État de New York
